2014年度邵逸夫天文学奖颁予丹尼尔爱森斯坦(Daniel Eisenstein)肖恩科尔(Shaun Cole)约翰皮考克(John A Peacock),以表彰他们在测量星系大尺度结构特征上的贡献,这些测量包括重子声振荡(BAO) 和红移空间扭曲,其结果足以对宇宙学模型作出约束。爱森斯坦为美国哈佛大学天文学教授;科尔为英国杜伦大学物理学教授;皮考克为英国爱丁堡大学宇宙学教授。

早期宇宙的温度很高,密度也很大。重子物质高度电离,由裸原子核和自由电子组成,称为等离子体。无论当时还是现在,光子的数目较原子核或电子都多很多。由于光子和电子的散射,使等离子体和光子紧密耦合。这种情况在大爆炸后的初期维持了40万年,直至温度降至3000 开氏度,电子和原子核遂结合成中性原子,与光子解耦,中性原子与光子变成互相独立的系统。

在宇宙大爆炸之后不久,受密度扰动产生重子声波,这些密度起伏,就是最后形成银河星系的种子。重子声波在原始等离子体系与光子解耦前出现,并以大约光速的一半速度传播。解耦之后,声波停止传播,留下了印迹,相当于今天物质密度在4亿5千万光年尺度所明确出现的相关性。

重子声振荡尺度提供了一个「标准尺规」,在宇宙学上有许多应用。首先,宇宙微波背景辐射的温度呈现角度约为一度的起伏,而在2005年,两篇论文报告了在星系空间分布中发现重子声振荡现象。在垂直于视线方向,标准尺规所展示的角度,校准了距离和红移的关系;而沿视线方向,则决定了哈勃参数与红移的函数关系。因而证实了前人利用Ia类超新星作为「标准烛光」推导出的惊人发现,即宇宙膨胀已在不久前由减速转变为加速。

以下还要说明红移空间扭曲,以及它如何与重子声振荡现象的协同作用。宇宙的密度不均匀,与物质出现大尺度流动,这两个现象密切相关,且互为因果。一方面,密度不均匀产生引力加速,驱使物质流动;而反过来,物质流动又令密度更不均匀。早年量度的红移空间扭曲对宇宙的平均密度作出了初步限制,而星系呈现的大尺度流动扭曲了重子声振荡的「标准尺规」。但从星系的大尺度聚集的观测,可推论出有关的引力场分布,若以此为基础,模拟星系流动的情况,可以很大程度上矫正扭曲,重构尺规。
 
最后一谈当前颁发的奖项与在2004年、2006年和2010年所颁奖项的关系。 2004年所颁奖项部份与重子声振荡的预测有关,2006年所颁奖项表扬宇宙的膨胀正在加速的杰出的发现,而最近2010年所颁奖项则表扬WMAP卫星对微波背景的精确量度,使宇宙学基本参数得以确定。
 


邵逸夫天文学奖遴选委员会
(译自英文原稿)


2014年5月27日 香港